Наука и Техника

Наука И Техника
19 апреля 2015

Теория информации: новый способ поиска жизни, не похожей на нашу.

В нашей галактике есть более двух десятков экзопланет, на которых может быть потенциальная жизнь, не говоря уже о других многочисленных обитаемых мирах, которые могут быть в сотне миллиардов других галактик по всей Вселенной. Учитывая эти числа, шансы на существование жизни за пределами Земли весьма высоки, а вот шансы обнаружить эту жизнь — куда ниже.

Почему? Для начала мы просто не знаем, как будет выглядеть инопланетная жизнь.

«Она может настолько отличаться, что мы, даже глядя ей в глаза, не узнаем, что это жизнь», — говорит Кристоф Адами, профессор микробиологии и молекулярной генетики в Университете штата Мичиган.

В основе любой жизни на Земле лежит углерод, это значит, что молекулы, из которых состоит каждый известный организм, содержат атомы углерода, связанные с другими атомами. Жизнь на Земле, кроме того, зависит от кислорода: растения берут углекислый газ (углерод и два атома кислорода) и отдают кислород, который нужен людям для жизненно необходимого дыхания.

Но другие формы жизни могут быть основаны на чем-то совершенно другом. Хорошим примером является простое органическое соединение метан — один атом углерода и четыре водорода. Возьмем, к примеру, луну Сатурна Титан. Эта луна богата озерами жидкого метана на поверхности, а уровень кислорода крайне низкий — люди не смогли бы выжить на ней. Но эти озера могут хранить формы жизни на основе метана, и они будут чрезвычайно отличаться от жизни, которая есть у нас здесь, на Земле.

Проблема в том, что наши инструменты для обнаружения жизни спроектированы для поиска жизни, подобной нашей, так что мы можем никогда и не узнать, существует ли на Титане или где-нибудь еще в других мирах жизнь с другой химией.

Адами работает над способом решения этой проблемы. Он представил свой подход на встрече Американского физического сообщества в апреле в Балтиморе. В начале 90-х он участвовал в разработке сложной компьютерной программы под названием Avida. Эта программа исследует, как цифровые организмы — компьютерные программы со способностью к саморепликации и мутации без вмешательства человека — эволюционируют со временем. Ученые используют подобные программы, чтобы лучше понять те аспекты, которые движут дарвиновскую эволюцию. Их искусственный процесс саморепликации — отличный аналог реальной жизни на Земле.

Он ищет признак, которым будут обладать все формы жизни во Вселенной — универсальная тема, которая будет выходить за пределы химических веществ, из которых жизнь состоит. Если эта универсальная тема существует, и мы будем знать, как ее определить и проверить, то мы сможем быстро идентифицировать другие луны на предмет существования жизни, даже если она будет обладать совершенно другой химией.

Адами считает, что довольно близко подобрался к обнаружению этой темы.

«Есть вещи, которые универсальны для всех форм жизни повсюду, например, информация. Информация это, по сути, то, что позволяет вам делать прогнозы. И все живые системы должны это делать».

Эта информация хранится в геноме каждого организма — полном наборе их генов. Хороший способ представить эту информацию — подумать о ней как об отдельных кусочках, или битах, подобно битам в наших компьютерах. Одна цепочка ДНК человека, например, может содержать сотни миллионов этих «битов» информации, говорит Адами. И то, как развивается организм, говорит он, зависит от того, как эти биты воспроизводятся и мутируют со временем.

В одной из лекций знаменитый астрофизик Стивен Хокинг рассказывает о том, что информация в наших ДНК «вероятно, изменилась всего на несколько миллионов битов» за последние несколько миллионов лет нашей эволюции из обезьян. Конечно, Хокинг — астрофизик, а не эволюционный биолог, поэтому его теорию можно поделить надвое. Но он не единственный, кто считает, что эволюция проходит за счет изменений в информационных битах наших геномов.

Большой вопрос — как отличить информацию, которая хранится в молекулах живых организмов, от той, что хранится в неживых объектах. Один из способов — наблюдать за паттернами, шаблонами, порядком, говорит Адами.

В отличие от живых существ, которые генерируют определенные шаблоны по мере воспроизведения и самовоспроизведения (подобно тому, как повторяют себя последовательности нашей ДНК), неживые вещи будут иметь только случайные биты информации, которые никогда не повторяются с определенной частотой.

К сожалению, проще сказать, чем сделать.

Лучшим способом, по мнению Адами, будет взгляд на химические вещества в почвах других лун и планет в нашей Солнечной системе. Никто пока этого не делал. На борту марсоходов NASA нет инструментов, использующих метод Адами, также у нас нет роверов на других планетах и лунах пока. И хотя открытие внеземной жизни в почвах других миров может произойти очень нескоро, ученые на Земле все же ведут охоту на формы жизни, которые еще не были обнаружены. Один из подходов представляет собой весьма перспективный вариант.

В ноябре 2014 года ученые Объединенного института генома (JGT) предложили эксперимент, который мог бы найти четвертый домен жизни на Земле. На данный момент известно только три домена. Это археи, бактерии и эукариоты. У каждого домена есть определенная последовательность в генной структуре РНК, которая отличает его от двух других групп.

Однако команда JGT подозревает, что может быть и четвертый домен с совершенно новой последовательностью РНК, которую до сих пор никто не видел.

«Мы готовы, вооружившись новым инструментарием мощных геномных технологий, генерировать и добывать большие объемы данных, чтобы обнаружить, что новая жизнь может разительно отличаться от того, что есть у нас в каталогах на данный момент», — говорил директор JGI Эдди Рубин.

Для этого команда хочет взглянуть на гены клеток крошечных форм жизни, которые существовали более 2,3 миллиарда лет назад, когда на Земле было гораздо меньше кислорода, чем сегодня. Низкокислородные условия в те времена, возможно, стимулировали появление генетически уникальной формы жизни, которая вполне может быть похожей на формы жизни в других мирах, где мало кислорода в атмосфере, вроде Марса. Эта интересная форма жизни — своего рода «темная материя» в биологии.